液压阀金属密封技术研究进展

摘要  金属密封技术具有良好的耐受性，可克服传统弹性体密封技术对高温、高压和强腐蚀环境的局限性。本文介绍了液压阀金属密封技术的研究进展情况，阐述了金属密封技术的原理，分析了金属密封技术的密封机理与影响密封能力的主要因素。

关键词液压阀 金属密封 冲蚀磨损 空化侵蚀

引言

液压阀是液压系统的核心控制元件，通过调节液体压力、流量和流动方向实现对执行机构的精准控制。当液压阀内密封失效时，阀内的介质会从高压端流向低压端，产生泄漏，降低液压系统的效率，因此需要阀内密封件的密封性能良好。

与橡塑类密封材料相比，金属密封具有良好的化学兼容性、高温稳定性等优点，在航空航天、石油化工、核能等领域广泛应用。

密封原理及过程

金属密封技术是利用金属接触面紧密贴合，并在金属接触面施加可控的载荷来挤压金属密封面并使之充分变形，利用接触面的接触压力使金属发生变形与流动来填充接触面间的间隙，从而获得良好的密封效果[1]，其过程如图1所示。

密封影响因素

金属密封性能主要取决于密封比压、粗糙度、密封面宽度、密封面微观流道等因素。

3.1 密封比压

密封比压指的是密封面上单位面积承受的压力，是衡量密封面密封性能的重要参数。密封比压小会使得密封面的接触应力不足，容易引起泄漏；过大会造成组成密封副的零件之间摩擦力增加，加剧密封副之间的磨损，影响阀芯开启或关闭，降低密封性。因此，需根据不同工况及技术指标设计密封比压，以达到最佳的密封性能。

目前针对密封比压的研究的手段主要是通过对密封副的接触结构进行有限元数值计算，而对于介质参数（温度、粘度、污染度等）、结构参数对密封比压的影响研究较少。因此未来应对多种类型的密封结构（球-锥、锥-锥、平面-平面等）以及可能的相关影响因素开展研究，进而指导液压阀金属密封的设计。

3.2 粗糙度

现有加工手段无法加工出绝对光滑的表面，因此在微观尺度下密封界面的表面形貌是粗糙不平的，所以不可能做到绝对意义上的“零泄漏”。表面粗糙度过大，密封表面的塑性变形不足以填满泄漏通道，密封介质就会顺着泄漏通道泄漏出来。但是，当密封元件在密封接触面上产生了超过屈服强度2倍的塑性变形后，接触面的表面粗糙度将不再影响密封系统的密封性能[3]。

3.4 密封面宽度

当密封面宽度增加时会延长金属接触挤压产生的毛细孔长度，使液体流动阻力增大，泄漏量因此减小。但若增加密封面宽度，则需要更高的液压压力才能达到所需的接触应力水平，进而引发金属密封的塑性变形。因此，实际设计时需结合介质特性、工况参数及材料性能，通过仿真模拟与实验验证确定最佳宽度范围。

3.5 密封面微观流道

因密封面加工方法的不同，微观下接触表面的粗糙部分可形成环行纹路、多方向或交叉纹路。环形纹路的波峰在密封力作用下发生层叠式塑性变形，形成连续的迷宫式密封结构，密封副的吻合增加了流体的阻力，因此具有更好的密封性。

密封失效机理

若密封面无法完全贴合，会导致密封副存在介质流通通道，同时在压力差的作用下介质会从高压侧通过微观通道流至低压侧，从而产生泄露。虽然金属密封的密封原理简单，便于实现，但金属密封也存在失效的风险。在液压阀的使用过程中，金属密封主要受到冲蚀磨损及空化侵蚀两方面的影响。

4.1 冲蚀磨损

冲蚀磨损指的是流体携带的固体颗粒或在阀运行过程中阀本身产生的固体碎屑冲击阀口表面引发材料损失，继而引起密封面损伤。液压油中的固体颗粒浓度、大小和形状，流道的几何形状以及流体介质的速度都会影响密封表面侵蚀的程度和分布[4]。针对冲蚀问题，国内外已有许多研究学者提出了理论及公式，但目前国内外均没有能够用于计算冲蚀磨损量且被公认和普遍使用的公式。

4.2 空化侵蚀

空化侵蚀是指流体介质的压力降至饱和蒸汽压时，流体内部出现微小气泡，小气泡坍缩后形成微激波与微射流攻击壁面，最终导致壁面材料出现疲劳破损甚至表面剥蚀[5]，空化过程如图2所示。

常温常压时矿物油中一般能溶解大约6%～12%的空气[7]，因此液压阀在使用过程中通常会产生空化现象，尤其是在阀口处最为明显，这是因为在阀口开启过程初期，过流面积较小，油液流经窗口时流道急剧变化，流速升高，压力急剧下降导致[8]。长期空化会导致阀口密封处形成气蚀，进而直接影响阀的密封性能。

结论与展望

总结了当前液压阀金属密封的相关研究，包括密封原理及过程、密封影响因素、密封失效机理，得出以下结论与展望：

开展粗糙表面间密封机制的深入研究：金属密封问题涉及接触力学、流体力学、分子动力学等多个学科，现有理论无法完全实现预测和计算泄漏量，加上实验是有限的，因此需要开展多学科综合对粗糙表面密封进行研究。

开展密封失效的复合机理研究：影响液压阀金属密封性能的因素很多（密封结构、流通介质、使用环境等），且各因素之间相互影响，密封失效应基于液压阀实际使用工况开展复合研究，综合准确地评价液压阀硬密封的失效机理，进而设计更为可靠耐用的金属密封液压阀。

开展极端工况金属密封研究：液压阀正朝着高端化和高性能化方向发展，随着航空航天、核电、石油化工等高端领域对密封件性能要求的不断提高，传统金属密封（包括密封结构、密封材料等）已难以满足技术要求，因此未来金属密封需重点向耐高温、耐腐蚀、耐高压方面发展，以满足极端工况下的密封需求。

参考文献

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